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寧波材料所在高能超聲波噴丸校形工藝機理及校形示范應用方面取得新進展
作者:,日期:2022-03-27

  航空航天、汽車及軌道交通領域的殼體、端蓋等金屬薄壁件在加工過程中,由于焊接及熱處理導致的變形問題非常突出,為了滿足零件精密成形要求,須多次進行熱時效并輔以人工校正,導致加工周期大幅延長,生產效率低、成品不高,無法適應新形勢下高端裝備高效供給的要求。因此,開發具有高效率、高可靠性和綠色環保的金屬薄壁件成形校形技術是精密機械加工領域的發展趨勢。

  中國科學院寧波材料技術與工程研究所高能超聲波技術團隊以大功率超聲波驅動控制及換能器本體技術研究為基礎,開展了一系列面向薄壁零件形狀校正的超聲噴丸工藝機理研究,探究了超聲波噴丸處理過程中撞針的沖擊特性,建立了多殘余應力場誘發薄壁環件形變預測模型,并闡明了殘余應力場作用下薄壁環件的變形規律。以此為基礎,利用自主開發的超聲噴丸校形裝備,完成了針對航天、汽車等領域薄壁零件的示范應用。

  首先,團隊通過高速攝像機、沖擊電壓檢測系統等對撞針沖擊載荷、沖擊次數等進行系統表征;然后,建立撞針沖擊金屬材料的動態數值模型,根據沖擊植入殘余應力規律,提出判定超聲波沖擊處理過程中有效撞針沖擊判定方法;最后,對振幅、沖擊行程及工作氣壓三個關鍵工藝參數進行了詳細分析,最終建立了“驅動振幅—介質沖擊—殘余應力植入”的內在聯系,該工作為表面強化和誘發板料成形校形奠定了理論基礎(圖1)。相關成果以“Numerical and experimental studies on needle impact characteristics in ultrasonic shot peening”為題發表于超聲領域國際著名期刊Ultrasonics 119(2022) 106634 (https://doi.org/10.1016/j.ultras.2021.106634)。

  在此基礎上,團隊結合區域多撞針沖擊3D動態數值模型與薄壁環件殘余應力場誘發形變預測模型,實現了薄壁環件超聲波噴丸處理形變預測。研究表明,單一殘余應力場誘發產生的薄壁環件外凸變形隨壁厚的增長而逐漸減弱,隨處理區域的增大而增大,處理薄壁環件內表面的難度略大于外表面;在多殘余應力場耦合作用下,薄壁環件形變的關鍵影響因素為殘余應力場間分布間距;同側處理時,可制造波浪形輪廓,而異側處理時,可發現“形變平衡”現象,為局部校形提供理論依據。該部分研究工作對殘余應力場準確植入、薄壁環件加工變形準確校正奠定了理論基礎(圖2)。研究成果以“Numerical and experimental study on the deformation of aluminum alloy ring treated by ultrasonic shot peen forming”為題發表于國際著名期刊Int. J. Adv. Manuf. Tech 113(2021)2791-2804 (https://doi.org/10.1007/s00170-021-06786-0)。

  團隊利用自主開發的超聲噴丸校形裝備(圖3左),針對航天薄壁回轉體、新能源汽車電池盒、鋁合金汽車輪轂及平板模具進行了校形試驗,效果顯著。航天薄壁圓筒經9min超聲校形后,圓度滿足公差±0.5mm區域達到80%,公差外區域偏差也多集中于±0.6mm附近(圖3中);新能源汽車電池盒超差樣件超聲噴丸校形前平面度約為40mm,校形后平面度≤1mm,整個底板完成校形時間約為5min(圖3右);鋁合金輪轂校形后,圓度誤差降低60%以上,鋼板校形后平整度顯著提高,最大變形量小于0.5mm。

  以上工作成果得到寧波市“3315計劃”創新團隊項目(Y80929DL04)、寧波市2025科技重大專項(Y90922DA47)、浙江省“領雁計劃”科技計劃項目(2022C01114)的資助。

圖1 撞針沖擊過程(左);不同撞針沖擊特性對殘余應力的影響(中,右)

圖2 (a)薄壁環件實物;(b)環件模型徑向位移云圖;(c)圓周方向不同弧度徑向位移量

圖3 (左)自主開發的超聲波噴丸處理裝備;(中)航天薄壁圓筒校形效果;(右)新能源汽車電池殼體校形效果

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